基于BIM的公路邊坡穩(wěn)定性分析

邵志強

(中鐵十八局集團國際工程有限公司，天津 300222)

0 引 言

在邊坡設計工作中，許多設計人員仍在選取邊坡剖面時使用傳統(tǒng)的二維分析方法。已有研究對比了二維和三維邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，得出二維穩(wěn)定性分析結(jié)果相比三維穩(wěn)定性分析結(jié)果往往偏于保守，也不能完全反映真實情況，由此會對邊坡的處理帶來不必要的浪費[1-2]。由二維邊坡領域拓展到三維邊坡領域已成為新的發(fā)展趨勢[3]。

在三維邊坡穩(wěn)定性分析的研究中，邊坡三維模型的建立大多是由二維平面拓展而成，隨著工程建設的大規(guī)模發(fā)展，所涉及的邊坡工程空間形態(tài)和地質(zhì)條件越來越復雜，邊坡體內(nèi)的應力狀態(tài)也具有明顯的空間差異性，因此基于二維或準三維邊坡數(shù)值模型的穩(wěn)定性分析結(jié)果不足以反應真實情況。在實際工程中邊坡問題都屬于三維問題，邊坡的三維分析更具可行性。鄭穎人和趙尚毅[4](2005)采用三維有限元強度折減法計算了三維均質(zhì)土坡的穩(wěn)定性，并與三維極限平衡法的結(jié)果進行比較分析，驗證了有限元強度折減法應用于邊坡三維穩(wěn)定行分析的可行性。高玉峰[5](2015)總結(jié)了土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的3種主要方法，并分析了在三維邊坡分析中的困難，表明數(shù)值分析法是三維土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的趨勢。盧坤林[6](2012)對比分析了二維與三維邊坡在穩(wěn)定性分析結(jié)果中得到安全系數(shù)的差異，討論了這種差異與滑體幾何尺寸及的抗剪強度參數(shù)之間的關(guān)系及其形成原因，為合理評價邊坡穩(wěn)定性提供可靠的理論依據(jù)。劉毅和程建軍等[7](2015)用GOCAD、CATIA創(chuàng)建邊坡三維地質(zhì)模型，并使用Hypermesh并進行劃分網(wǎng)格，最后導入數(shù)值分析軟件中，從而實現(xiàn)真實邊坡數(shù)值模型的建立，通過工程實例表明該方法建?？旖菘尚?。從上述研究中可以看出，數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中具有很好的實用性。同時，建立復雜邊坡三維數(shù)值模型一直是三維邊坡穩(wěn)定性的難題。有學者通過多軟件協(xié)同，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方法建立邊坡三維數(shù)值模型，彌補數(shù)值分析軟件建模功能的不足。該方法過程復雜且需要較強的軟件運用能力，上手難度高，工作量大，不適合在實際工程中應用。

如果將BIM技術(shù)的建模能力和有限元軟件的數(shù)值分析能力結(jié)合，不僅可以加快BIM在建筑工程行業(yè)的全面推廣，更能深化其在建筑工程行業(yè)的應用。將勘察工作中建立的邊坡三維地質(zhì)模型導入數(shù)值分析軟件中分析邊坡穩(wěn)定性，能更好地反映邊坡真實情況，準確判斷滑動面位置，使邊坡設計更為經(jīng)濟合理。

1 基于BIM技術(shù)的邊坡三維建模

1.1 三維信息采集

對于地形復雜的高陡邊坡而言，傳統(tǒng)的地形、邊坡測量手段操作難度大、精度低，與BIM軟件的數(shù)據(jù)傳遞效率低，不利于巖土工程的信息化發(fā)展。近年來，由于科技的不斷發(fā)展和測量要求的不斷提高，新的測量技術(shù)不斷地被開發(fā)出來，如無人機遙感測繪、三維激光掃描、近景攝影等。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展成熟，航空航拍測量技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，在利用無人機對大范圍和具有復雜空間形態(tài)的地點進行信息獲取方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。本文采用大疆MATRICE 600 PRO進行地形測量工作。

將無人機按設計航線獲取的目標區(qū)域高精度影像，利用Photoscan軟件三維重構(gòu)可以得到精細的密集點云數(shù)據(jù)，以*.txt格式導出。

1.2 生成三維邊坡模型

通過“創(chuàng)建地面數(shù)據(jù)”欄中的“創(chuàng)建曲面”命令，創(chuàng)建三角網(wǎng)曲面，在使用曲面定義中的“點文件”將*.txt格式點云數(shù)據(jù)導入地形曲面數(shù)據(jù)之中，生成點云，通過點云定義坡面的三角網(wǎng)曲面，如圖1所示。

圖1 坡面模型

圖2 三維邊坡模型

通過Civil 3D的曲面提取實體功能，如圖2所示，實現(xiàn)地層的三維實體建模。將通過鉆孔數(shù)據(jù)生成的地層曲面自下而上在相鄰地層曲面和地層與地表之間提取實體，以下部地層為基準，以相鄰上部地層為邊界，在曲面之間生成實體，如圖2所示。

創(chuàng)建三維模型時要盡可能的將項目及項目周邊一定范圍內(nèi)的信息一并創(chuàng)建，如果將原始BIM模型直接導入ABAQUS計算，會因為模型過大，對計算機的配置提出更高的要求。因此在數(shù)值分析軟件中只需要對主體部分進行分析，在BIM模型導入數(shù)值分析軟件之前需要先對模型進行簡化，并結(jié)合邊坡設計方案對原始邊坡進行編輯，形成路塹邊坡，如圖3所示。

圖3 開挖未支護邊坡

2 三維邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型導入與設定

BIM軟件與數(shù)值分析軟件之間沒有特定的數(shù)據(jù)交換接口，但支持*.sat(ACIS))、*.ige(IGES)、*.stp(STEP)等格式的數(shù)據(jù)交換，不同格式在數(shù)據(jù)交互時會產(chǎn)生兼容問題。其中ACIS主要應用于CAD系統(tǒng)開發(fā)的幾何平臺，提供簡單實體到復雜實體的造型功能，還提供了實體的數(shù)據(jù)存儲功能和SAT文件的輸入、輸出功能，為歐特克(Autodesk)平臺的BIM模型導入數(shù)值分析軟件提供方案。同時，*.sat格式還具有兼容性好，占用存儲空間少，且圖形錯誤率低的特點，本文采用該格式導入，導入后模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值分析模型

數(shù)值分析選用達索旗下的ABAQUS軟件，其具有十分豐富的材料模型、單元模式、荷載、接觸和邊界條件，求解非線性問題的能力十分強大，在巖土工程的應用中獲得了廣泛的認可。

計算模型由BIM模型按設計方案開挖后導入ABAQUS，模型尺寸如圖5所示。邊坡共設4個臺階，坡度均為1∶0.5，其中第3級臺階寬度為6 m，其余臺階寬度為2 m，除第4級臺階高度為8 m外，其余臺階高度均為6 m。計算工況為非正常工況Ⅰ(坡體自重+地面荷載+暴雨)，土體強度參數(shù)見表1。

圖5 模型尺寸

表1 非正常工況Ⅰ中土體強度參數(shù)

類別重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/MPa泊松比粉質(zhì)黏土182626300.38強風化砂巖20100308600.25砂巖2620 000464 3000.2

邊界條件：模型底部限制3個方向的位移，為固定約束，邊坡左右兩面限制y方向的位移，前后兩面限制x方向的位移，上部為自由邊界。采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化結(jié)合的方式來劃分網(wǎng)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

當前，三維極限平衡法和有限元強度折減法是邊坡三維穩(wěn)定性分析的主要方法，三維極限平衡法較二維極限平衡法需要更多的假設條件，而強度折減法不需要做任何假設。趙尚毅、鄭穎人等進行的研究也表明，強度折減法是一種有效的邊坡穩(wěn)定性分析方法。其他學者通過與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，也驗證強度折減法分析結(jié)果符合工程實際[8-13]。本文采用強度折減法進行三維邊坡穩(wěn)定性分析。

采用有限元強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性時，對于邊坡是否處于整體破壞狀態(tài)的判據(jù)還有一定爭議，目前主要判據(jù)有3種[4,14-15]。

(1)以數(shù)值計算結(jié)果是否收斂作為判斷標準。

(2)以特征部位的位移拐點作為判斷標準。

(3)以土體重是否形成連續(xù)的塑形貫通區(qū)作為判斷標準。

本文采用1為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)。

在ABAQUS中通過定義場變量來實現(xiàn)強度折減，實現(xiàn)過程共分為2步，第1步為靜力分析步，第2步為強度折減分析步。靜力分析步進行初始應力分析，折減分析步實現(xiàn)土體強度隨場變量不斷折減，對第2個分析步中得到的數(shù)據(jù)進行處理，即可得到在邊坡失穩(wěn)判據(jù)下的安全系數(shù)，滑動面和破壞過程等。

圖6 位移等值線圖

圖7 塑性應變等值線

當計算模型在第2個分析步t=0.307 2時計算終止，此時邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，根據(jù)最終的位移等值線(圖6)和塑性應變等值線(圖7)云圖可以分析出滑動面的位置。圖7給出了第2分析步中t=0.241 2、t=0.294 4、t=0.307 2的等效塑性應變圖，從中可以看出，邊坡表面沿長度方向地形起伏較大、塑性區(qū)也首先出現(xiàn)在地勢高、坡度較陡處的土體中，隨著折減系數(shù)的增大，屈服面塑性區(qū)由強風化沙層上部逐漸向上發(fā)展，而由于兩側(cè)地勢較低，坡度較緩，塑性并未向兩側(cè)快速發(fā)展。在t=0.307 2時塑性區(qū)貫通，邊坡失穩(wěn)。

通過將場變量FV1(即安全系數(shù)FS)與最終位移量最大的邊坡頂點水平位移U1的變化關(guān)系繪制于圖8中，根據(jù)邊坡失穩(wěn)判據(jù)即可確定安全系數(shù)。由圖8可以得知，若以特征部位的位移拐點作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，則開挖后未支護的邊坡安全系數(shù)為0.92左右；若以計算不收斂為判據(jù)，則安全系數(shù)為0.95左右，二者的誤差約為3%，表明這兩種判據(jù)具有一致性。

圖8 FV1與U1的關(guān)系曲線

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)的規(guī)定，K<1.0為不穩(wěn)定。則開挖未支護的邊坡在非正常工況Ⅰ中的分析結(jié)果為不穩(wěn)定，滑坡穩(wěn)定性不能滿足公路滑坡設防標準，需對其進行必要的防護治理。

3 結(jié) 語

將BIM模型導入ABAQUS軟件中，實現(xiàn)了BIM模型到數(shù)值分析模型的轉(zhuǎn)變，深化了BIM在邊坡工程中的應用，提高了BIM建模工作的價值。通過有限元強度折減法對邊坡在開挖未支護狀態(tài)進行穩(wěn)定性分析，判斷其是否需要防護治理，對實際工程具有重要意義。